國產晶片如何突圍？

來源：靜默如初 釋出時間：2022-10-15 10:40

現在存算一體技術已經開始從低功耗場景逐漸向有著更大算力需求的智慧駕駛市場奮進。在智慧時代裡，從可穿著到自動駕駛，功耗約束下場景裡的計算效率都是永恆的主題，存內計算是解放算力晉升能效比最強有力的武器之一。

2.Chiplet技術

Chiplet被行業普遍認為是未來5年算力的主要晉升技術。Chiplet可以使我們不再需要只依靠單個晶片機能的晉升，可以嘗試利用新的開放尺度UCIe來最佳化設計的異構Chiplet，實現本錢上風和機能上的進步。

作為處理器的未來，Chiplet有幾個很顯著的好處：

成本低：一方面，現在的芯片面積變得越來越大，不僅製造難度增加，也增加了良率帶來的損失，而透過將大晶片分成更小的Chiplet，進步了產量（或良率），則降低了製造本錢；另一方面是，Chiplet答應使用不同的製造節點建立異構的晶片，SoC中不同功能的模組可使用不同的wafer技術，高效能的可能需要5nm，其他機能可能只需要40或者28就可以做到機能最大化。此外，企業可以在多個產品中重複使用小晶片來減少設計時間和流片用度。據統計，Chiplet可以將7nm晶片設計的本錢降低25%，到5nm及以下，本錢節省更大。突破了SoC設計極限：Chiplet突破了光罩面積的規模極限，透過異質整合的方式突破了功能極限，使其不再受多工藝的約束，透過算力可擴充套件的方式晉升了晶片的機能，並透過靈敏開發的方式大大縮短了工期極限。

跟著全球消費電子工業、HPC運算等對Chiplet的需求，Chiplet市場前景一片大好。根據研究機構 Omdia 呈文，2024年採用Chiplet的處理器晶片的全球市場規模將達 58 億美元，到2035年將達到570億美元。

因為中國大陸的半導體制造業在進步前輩晶片方面有所落後，所以，利用新型封裝技術整合和互連海內積累多年的處理器、儲存器等Chiplet，達到對標或超過國外高階晶片算力目的，是突破半導體工藝被洽商的重要途徑，對我國的積體電路工業具有重要意義。

3.矽光子技術

所謂矽光子整合技術，是以矽和矽基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學介質，透過互補金氧半導體（CMOS）相容的積體電路工藝製造相應的光子器件和光電器件（包括矽基發光器件、調製器、探測器、光波導器件等），並利用這些器件對光子進行發射、傳輸、檢測和處理，以實現其在光通訊、光互連、光計算等領域中的實際應用。

矽光技術的核心理念是“以光代電”，即採用鐳射束代替電子訊號傳輸資料，將光學器件與電子元件整合至一個獨立的微晶片中。在矽片上用光取代傳統銅線作為資訊傳導介質，大大晉升晶片之間的連線速度。後摩爾時代，光子晶片因其功耗低、低時延、具有高運算速度，且不易收到溫度、電磁場和噪聲變化的影響等優良特性，而被業界寄予厚望。

根據Gartner資料，2021年全球光晶片（含 CCD、CIS、LED、光子探測器、光耦合器、 鐳射晶片等）市場規模達 414 億美元，預計2025年市場規模有望達561億美元。

光子晶片採用全新的晶片設計架構思路，將能夠對現有的電子晶片機能進行大幅度晉升，解決電子晶片解決不了的功耗、訪存能力和計算機整體機能等困難。

而且光子晶片對結構的要求不像電晶片那樣苛刻，光的波長在百奈米到1微米量級，因此，光晶片不必追求工藝尺寸的極限縮小，就能有更多的機能用以晉升空間，一般是百奈米級。但光晶片和電晶片各有上風，二者雖在某些場景有競爭，光子積體電路高速率傳輸和電子積體電路多功能、智慧化的長處，固然在某些應用場景中，兩者有競爭，但更多的時候，二者是共贏關係。未來光子晶片和電子晶片的結合，或將是工業立異的一個很重要的方向。

新材料

跟著摩爾定律逐漸失效，尋求矽以外的替代材料成為行業的一大方向，而碳奈米管則被看作一個有但願的替代品。碳奈米管具有加工溫度低、工作速度快、功耗低、更易實現三維異構整合等上風，最有可能成為後摩爾時代積體電路的顛覆性技術之一。國際半導體技術路線圖很早就以為，碳奈米管是未來最理想的電子學材料。

在今年第25屆京臺科技論壇上，中國科學院院士、北京大學電子學院院長彭練矛表示，碳奈米管做的晶片綜合性能可以比現在的矽基晶片進步成百上千倍。其另外一個長處就是，可以用二氧化碳製備碳奈米管，這樣就可以消耗更多的二氧化碳。

理論模擬結果表明，採用三維整合的碳基積體電路較傳統積體電路具有1000倍的機能功耗綜合上風。根據已有研究成果估算，90奈米碳基積體電路技術可達到矽基主流28奈米技術節點的綜合性能。因此，90奈米積體電路技術是碳基積體電路技術走向應用的樞紐節點。

“傳統矽基晶片材料的潛力基本已被挖掘殆盡，無法滿意行業未來進一步發展的需要，啟用新材料是從根本上解決晶片機能題目的出路。”這是20年堅守碳基晶片研發的彭練矛所述。

目前其團隊透過系統的最佳化陣列碳奈米管溝道材料，改善MOS柵疊層結構（碳奈米管/柵介質/柵金屬），首次實現了基於陣列碳管的高效能增強型電晶體和積體電路，充分展現出碳管電子學的上風。相關論文已發表在國際著名期刊《進步前輩功能材料》上，論文第一作者北京大學電子學系、前沿交叉學科研究院博士生林豔霞表示，在工藝水平相對不進步前輩的實驗室中研發出來的增強型電晶體和高速電路，就能達到電晶體遷移率接近單根碳管、並且比工業化水平成熟的矽基要高9倍多的水平。而且電晶體的實際機能也是第一次超過與矽基相同尺寸的電晶體機能，這正說明了碳電晶體、碳基晶片的無窮潛力，它有足夠的氣力推動未來積體電路工業的快速發展。

SiP進步前輩封裝技術

封裝也是一大抓手，More than Moore是中國積體電路的新機遇，把握進步前輩的系統級封裝技術是實現技術超越的良機。自80年代中期，封裝已經成為我國半導體供應鏈中的關鍵環節。而現在SiP這樣的進步前輩封裝已經成為中國半導體行業的技術重點。SiP被業界以為是延續摩爾定律的必然選擇路徑。上文所述的Chiplet也依賴於SiP和2.5D/3D這樣的進步前輩封裝技術。

SiP（System in Package）將具有不同功能的主動元件和被動元件，以及諸如微機電系統（MEMS）、光學（Optic）元件、處理器、儲存器等功能晶片整合在一個封裝內，成為可提供多種功能的單顆尺度封裝元件，形成一個功能齊全的子系統。

SiP可以利用異質整合解決不同晶片工藝的相容問題。此外，SiP還在專利壁壘，開發成本、研發週期方面具有上風。在後端環節，SiP相對於傳統的PCBA也具有許多長處，如減小尺寸、增強機能、延長產品生命週期，降低後端應用企業的設計難度以及供應鏈治理本錢，進步產品可靠性等。SiP從終端電子產品角度出發，不再一味關注晶片本身的機能和功耗，而是轉向更加務實的滿意市場需求。

SiP方案已經開始從耳機這樣的小型可穿著市場逐漸向家電和汽車等市場蔓延，例如SiP可用於汽車微處理器、儲存器、輸入輸出介面、模數轉換器等大規模積體電路及合成發動機控制單元。另外，汽車防抱死系統、燃油噴射控制系統、安全氣囊電子系統、方向盤控制系統、輪胎低氣壓報警系統等採用SiP的形式也在不斷增多。

根據Yole猜測，2025年進步前輩封裝的佔比將晉升至整體封測行業的49.4%，其中SiP封裝被市場看好，在2020年到2026年年間，基於覆晶(FC)和打線接合(WB)的SiP市場將以5%的CAGR成長至170 億美元的規模。同期，嵌入式晶片(Embedded Die，ED) SiP市場則將以25%的CAGR 增加到1.89億美元；扇出型(FO) SiP市場價值預計以6%的CAGR20-26成長至16億美元。

但SiP的發展需要不同專業領域來互相配合，包括IC基板、封裝技術、模組設計與系統整合能力等。當下，從海內半導體產業結構來看，各領域分佈廣泛且逐漸完整，已經具有上中下游合作的基礎前提。這對於從業者來說，是很好的發展機會。

結語

綜上，可以看出，後摩爾時代，有很多新技術正在被產業界開闢出來。但是需要重視的是，任何一個新技術其背後所面臨的的挑戰都將是巨大的，不僅是技術本身上的困難，還有產業鏈的配套方面的缺失，所以每一項技術都需要形成一個好的工業生態，搭建平臺、最佳化生態，產業鏈上下游加大合作。